軟質(zhì)防刺材料的研究現(xiàn)狀及展望

田鷺新 曹海建 黃曉梅

（南通大學(xué)，江蘇南通，226019）

防刺材料是一種對(duì)有刃刀具（如匕首、刺刀）和有尖工具（如刺錐）威脅進(jìn)行防護(hù)的個(gè)體裝置，廣泛裝備于公安、獄警、保安等職業(yè)人群。近年來，國際恐怖活動(dòng)日益猖獗，國際極端組織和恐怖分子在世界各地制造了多起暴力襲擊事件，造成了不少的人員傷亡。因此，開展高性能防刺材料的開發(fā)和研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。其中，以KEVLAR、UHMWPE 高性能纖維為原料制成的軟質(zhì)防刺材料是目前防刺材料研究的重點(diǎn)。

1 防刺材料的發(fā)展歷程

在社會(huì)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，個(gè)體防護(hù)材料一直起著相當(dāng)重要的作用。無論是古時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)上的兵刃相見，還是如今各種暴恐事件的頻繁發(fā)生，以匕首、刺刀等尖銳利器帶來的危害始終不容小覷，古往今來防刺材料的保護(hù)作用不可或缺。防刺材料發(fā)展至今大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品可分為硬質(zhì)防刺材料、半硬質(zhì)防刺材料和軟質(zhì)防刺材料。

1.1 硬質(zhì)防刺材料

傳統(tǒng)的硬質(zhì)防刺材料全部由金屬材料制成，形似古代盔甲，包括用高性能合金冷軋制成整體造型的防刺插板，或采用高強(qiáng)輕質(zhì)金屬材料（如鋁合金、鈦合金）制成像鱗片甲一樣的防護(hù)層［1］，或?qū)⒔饘俨牧霞庸こ山饘俳z加捻織造等。硬質(zhì)防刺材料雖然具有優(yōu)良的防刺性能，但是質(zhì)量偏大，穿著笨重，活動(dòng)受限，透氣性差，穿著舒適性較低。

基于此，許多學(xué)者通過改變甲片形狀、搭接結(jié)構(gòu)等，在保證良好防刺性能的同時(shí)，使得防刺材料更加靈活、舒適。于春玲等基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種近似魚鱗狀的新型防刺甲片，進(jìn)而打破了傳統(tǒng)防刺材料笨重、行動(dòng)困難的缺點(diǎn)［2］。

1.2 半硬質(zhì)防刺材料

早期的半硬質(zhì)防刺材料主要采用金屬材料與纖維織物復(fù)合制成，其靈活性與舒適性稍有改善，但依然不理想。美國Criminology 公司研制了一種由KEVLAR 纖維和玻璃纖維制成的輕質(zhì)防刺背心，為了增加材料的防刺效果，防刺背心外表面為一層薄的不銹鋼網(wǎng)、鈦絲或鈦等的金屬輕質(zhì)薄片形成的凹凸不平的偏斜層。比利時(shí)Bekaert 公司發(fā)布了一種柔軟舒適的不銹鋼防護(hù)插板，紗線是不銹鋼復(fù)捻股線結(jié)構(gòu)，織物可以是針織的，也可以是機(jī)織的。

1.3 軟質(zhì)防刺材料

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，以KEVLAR、UHMWPE等高性能纖維為原料制成的軟質(zhì)防刺材料成為防刺主力軍，其也是目前國內(nèi)外學(xué)者防刺材料研究的重點(diǎn)。軟質(zhì)防刺材料的織物成形方式多種多樣，包括機(jī)織、針織、非織造和復(fù)合成形等工藝。機(jī)織物結(jié)構(gòu)緊密性好，其中三維機(jī)織物具有優(yōu)良的整體性、層間剪切性能、抗沖擊性能、力學(xué)性能等。針織物因其特殊的線圈結(jié)構(gòu)及良好的彈性，能量吸收性能和抗沖擊性能較好，但受外力作用時(shí)織物易變形，刀尖容易透過稀疏的線圈觸及人體。非織造織物抗剪切性能好，但服用性能差，一般常與機(jī)織物或針織物復(fù)合用作防刺材料。相較于傳統(tǒng)硬質(zhì)防刺材料和半硬質(zhì)防刺材料，其最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量較輕、穿著舒適，但是也存在防刺效果一般、質(zhì)量仍然偏大等缺點(diǎn)。

KANESALINGAM S 等 將KEVLAR 與 羊毛、尼龍混和，在織物表面涂上二氧化硅，并用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)織物的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺性能進(jìn)行了測(cè)試［3］。結(jié)果表明，涂層的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生更高的摩擦力，限制紗線的橫向運(yùn)動(dòng)，使更多的紗線直接抵抗沖擊，并吸收沖擊能量。然而，由于涂層的存在，織物的硬度增加，影響穿著舒適性。

練瀅等選用KEVLAR49 纖維，采用黏結(jié)成型工藝制備了一種樹脂成型柔性防刺材料［4］。動(dòng)態(tài)穿刺性能測(cè)試結(jié)果表明，頂部為2 層樹脂成型柔性防刺材料、中間為15 層芳綸無緯布和底部為1 層樹脂成型柔性防刺材料的三明治疊加防刺材料的防刺性較好。

LI C 等制備了熱塑性薄膜浸漬UHMWPE的UD 布復(fù)合材料［5］。防刺性能測(cè)試結(jié)果表明：熱塑性薄膜，特別是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚丙烯薄膜可以顯著提高復(fù)合材料的防刺性能，UD復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)防刺性能中起重要作用。

張?jiān)聭c以UHMWPE 為原料，將非織造材料與機(jī)織物疊層復(fù)合，通過針刺技術(shù)制成高性能柔性防刺材料［6］。通過性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該柔性防刺材料可吸收兩者優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮非織造材料的抗剪切和機(jī)織物的抗拉伸能力，針刺機(jī)的不斷針刺使得非織造材料的纖維纏繞在非織造材料和機(jī)織物之間，增強(qiáng)了兩者的協(xié)同效應(yīng)，提高對(duì)刀具壓縮的反應(yīng)速度，從而提高其防刺效果。

從國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，軟質(zhì)防刺材料是今后防刺材料發(fā)展的大勢(shì)所趨。而如何找尋平衡點(diǎn)，制備防刺性能與舒適性能兼?zhèn)涞能涃|(zhì)防刺材料，是未來研究的重點(diǎn)方向。

2 防刺用纖維

防刺材料因其特殊的功能性，對(duì)纖維要求較高，纖維需具備優(yōu)異的力學(xué)性能，強(qiáng)度高、模量大等，因此多以KEVLAR、UHMWPE 等高性能纖維為原料。

2.1 KEVLAR 纖維

美國杜邦公司生產(chǎn)的KEVLAR 纖維具有超高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，其比強(qiáng)度是鋼的5 倍至6 倍，模量是鋼絲和玻璃纖維的2 倍至3 倍，而體積質(zhì)量僅為鋼絲的1/5 左右［7］，為玻璃纖維的1/2 左右［8］，在高性能纖維中占據(jù)重要地位。但其耐光性差，不耐可見光和紫外線。目前我國煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司也能產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)該纖維。

2.2 UHMWPE 纖維

荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)生產(chǎn)的UHMWPE 纖維與碳纖維、芳綸纖維并稱為當(dāng)今“世界三大高科技纖維”。超高的分子量、高取向度、高結(jié)晶度賦予了UHMWPE 纖維高強(qiáng)度、高模量、抗沖擊等優(yōu)異的力學(xué)性能。其比強(qiáng)度是碳纖維的2.6倍，是芳綸纖維的1.7 倍［9］。其拉伸強(qiáng)度是目前現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的高性能纖維之最［10］，強(qiáng)度相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼絲的15 倍。在相同直徑的條件下，它可以負(fù)擔(dān)的最大質(zhì)量是鋼絲的8 倍［11-13］。而其質(zhì)輕，體積質(zhì)量小于1 g/cm3，體積質(zhì)量僅為高模量碳纖維的1/2 左右，為芳綸纖維的2/3 左右［14-17］。且其耐光性好，在戶外暴露1 年以上強(qiáng)度只有稍許下降。但其熔點(diǎn)低，不耐高溫，最高使用溫度不超過120 ℃。目前我國有多家企業(yè)能自主生產(chǎn)UHMWPE 纖維，包括江蘇鏘尼瑪新材料股份有限公司、北京君安泰防護(hù)科技有限公司、北京同益中特種纖維技術(shù)開發(fā)公司、連云港神特新材料有限公司、上海斯瑞聚合體科技有限公司等。國產(chǎn)UHMWPE 纖維產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量上乘，單絲強(qiáng)度平均38 cN/dtex，部分可達(dá)40 cN/dtex。

3 KEVLAR、UHMWPE 纖維在防刺材料中的應(yīng)用

近年來，以KEVLAR、UHMWPE 高性能纖維為原料的軟質(zhì)防刺材料逐漸取代了傳統(tǒng)的硬質(zhì)、半硬質(zhì)防刺材料。為進(jìn)一步提高其防刺性能，多采用樹脂基復(fù)合材料的形式。

3.1 樹脂基復(fù)合防刺材料現(xiàn)狀

樹脂基復(fù)合防刺材料結(jié)合了KEVLAR、UHMWPE 纖維的高強(qiáng)度、高模量優(yōu)點(diǎn)，以及樹脂基體的多功能特性。

JESSIE B 等在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穿刺試驗(yàn)條件下，對(duì)經(jīng)熱塑性樹脂浸漬的芳綸織物的抗剪切性能和抗穿刺性能進(jìn)行了表征［18］。結(jié)果表明織物的防刺性能得到明顯提高。

TAE J K 等開發(fā)了一種由剪切增稠液（STF）和KEVLAR 織物復(fù)合的防刺材料，采用一浸一軋整理法對(duì)KEVLAR 平紋織物進(jìn)行STF浸漬整理，并對(duì)其力學(xué)性能和防刺性能進(jìn)行了研究［19］，發(fā)現(xiàn)STF 浸漬整理顯著提高了KEVLAR織物的防刺性能。

劉玉龍?jiān)贙EVLAR 纖維織物上添加SiO2納米粒子，與Surlyn 樹脂復(fù)合，研究其防刺性能及力學(xué)性能［20］。結(jié)果表明，材料的力學(xué)性能和防刺性能得到顯著提高。由于納米粒子本身具有非常優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，因此在傳統(tǒng)防刺材料中加入適量的納米粒子，能夠有效吸收沖擊波的能量，提升防刺性能。而噴涂的納米粒子分布在纖維束內(nèi)側(cè)和纖維表面，能夠有效約束纖維的移動(dòng)，在相鄰纖維絲束之間起到傳遞沖擊力的作用。

WANG D N 等在UHMWPE 織物上涂覆熱固性樹脂制備復(fù)合材料［21］。動(dòng)態(tài)穿刺測(cè)試結(jié)果表明，與相同單位面積質(zhì)量的純UHMWPE 織物相比，復(fù)合材料的防刺性能有所增強(qiáng)。經(jīng)過樹脂整理后，紗線間的空隙被樹脂填滿，有效減少了紗線的滑移現(xiàn)象，使得刀具穿刺織物時(shí)紗線能夠吸收更多的能量，起到良好的防刺作用。

顧雋研究了剪切增稠液和UHMWPE 織物復(fù)合后的防刺性能［22］。防刺試驗(yàn)及其微觀形貌表明，在樹脂含量一定的條件下，復(fù)合材料中剪切增稠液體系的二氧化硅含量越高，刀刺穿織物后露出的刀尖長度越小，防刺性能越好。

3.2 樹脂基復(fù)合防刺材料的不足

盡管織物經(jīng)樹脂處理后，其防刺性能有所增強(qiáng)，但增強(qiáng)幅度有限，防刺性能仍難以達(dá)到理想效果。KIM H 等對(duì)熱塑性LDPE 樹脂和熱固性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)KEVLAR 織物的防刺性能進(jìn)行研究［23］。LDPE 增強(qiáng)KEVLAR 織物抵抗破壞行為表現(xiàn)為三個(gè)不同階段：最大強(qiáng)度刺入的初始穿透階段、刀刃切割階段以及積累纖維束的破壞階段。而環(huán)氧樹脂增強(qiáng)KEVLAR 織物抵抗破壞只表現(xiàn)為兩個(gè)階段，即沒有積累纖維束的階段。然而，無論使用何種增強(qiáng)樹脂，織物在經(jīng)過初始穿透后，防刺強(qiáng)力都明顯下降。研究還發(fā)現(xiàn)，即使LDPE 增強(qiáng)織物是多層的，樹脂增強(qiáng)的性能也只在初始穿透階段得到提高，而切割階段和纖維束積累階段的防刺強(qiáng)力無法提高。

此外，伴隨著防刺性能的增強(qiáng)，織物柔軟度降低，穿著舒適性也大大下降。劉娟等設(shè)計(jì)了一種樹脂成型柔性防刺服的防刺層結(jié)構(gòu)［24］。通過對(duì)三種不同空隙率的防刺層試樣進(jìn)行懸垂性測(cè)試、單層防刺層的準(zhǔn)靜態(tài)防刺性能測(cè)試和多層防刺層的動(dòng)態(tài)穿刺性能測(cè)試，研究了空隙率與材料的柔軟性、防穿刺性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著空隙率的減小，樹脂成型柔性防刺材料的防穿刺性能提高，但其柔軟性變差。

而樹脂與纖維界面的結(jié)合情況也不甚理想。CHUNG Y C 等［25］提出通 過增加摩擦力來限制細(xì)絲的滑動(dòng)以及纖維與穿刺探針之間的壓縮和磨損，以此提高織物復(fù)合材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穿刺性能。制備了由芳綸短纖維、尼龍短纖維以及一層低熔點(diǎn)聚酯纖維（以下簡稱LPET）組成的復(fù)合織物。芳綸和尼龍短纖維組成的非織造織物層提供剪切作用，以消散部分穿刺能量。增強(qiáng)夾層包括編織物和聚酯纖維絲，這些織物和聚酯纖維絲在表面層之間循環(huán)聚集，增強(qiáng)對(duì)穿刺探針尖端的抵抗力。在針刺后，增強(qiáng)絲可能會(huì)滑動(dòng)，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，采用LPET 層對(duì)復(fù)合織物進(jìn)行熱黏合。對(duì)熱黏合織物復(fù)合材料的耐穿刺性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而考察織物結(jié)構(gòu)和熱黏合性能的影響因素。結(jié)果表明，最佳的復(fù)合結(jié)構(gòu)為N/L/W/F/L/N，其由LPET 黏合層和不規(guī)則排列的纖維組成。采用LPET 黏合層阻止了纖維的滑動(dòng)，進(jìn)而提高了靜態(tài)穿刺和動(dòng)態(tài)穿刺性能，但界面結(jié)合能力較差。

為解決現(xiàn)存樹脂基復(fù)合防刺材料防刺效果一般、服用性能差等缺陷，相關(guān)學(xué)者對(duì)樹脂體系進(jìn)行了大量的研究。

董繼萍等為選出最佳的樹脂片幾何形狀以提高材料防刺性能，采用CAD 對(duì)規(guī)則排列面積相同的正方形、等邊三角形、正六邊形和圓形4 種樹脂片進(jìn)行作圖分析，并通過理論計(jì)算比較樹脂片之間的空隙寬度和空隙面積［26］。研究結(jié)果表明，對(duì)緊密相切排列的正方形、等邊三角形、正六邊形和圓形而言，正方形、等邊三角形和圓形會(huì)使樹脂片之間產(chǎn)生直線排列，刀具很容易穿過直線行列傷害人體；對(duì)規(guī)則排列、樹脂片間留有空隙的多邊形和圓形而言，當(dāng)空隙率一定且樹脂片面積相同時(shí)，正六邊形樹脂片之間的空隙寬度更窄，空隙面積更小，刀具更難刺入，即正六邊形的樹脂片有利于提高材料的防刺性能。

陳虹等分析了國內(nèi)外防刺材料常用樹脂體系［27］，包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、沙林樹脂、其他樹脂及剪切增稠液體。由于樹脂本身力學(xué)性能及其與纖維之間浸潤性的影響，采用不同膠黏體系所得防刺材料的剪切強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度及防刺性能不同。采用的熱固性樹脂，強(qiáng)度較大，防刺性能優(yōu)異，但普遍硬度較大，不易彎折，而采用熱塑性樹脂制得防刺基片柔軟性較好但其強(qiáng)度較低，防刺性能較差。

上述研究表明，無論是熱固性樹脂或是熱塑性樹脂，都難以兼顧優(yōu)異的防刺性能與良好的服用性能，而這亦是現(xiàn)存軟質(zhì)防刺材料有待解決的難點(diǎn)。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)外關(guān)于KEVLAR、UHMWPE 防刺材料的研究多集中于其與樹脂材料復(fù)合，而缺少系統(tǒng)的關(guān)于防刺機(jī)理方面的研究，而掌握防刺機(jī)理有助于更有針對(duì)性地設(shè)計(jì)防刺材料的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)，進(jìn)而改進(jìn)現(xiàn)存KEVLAR、UHMWPE 防刺材料防刺效果一般、質(zhì)量大、偏硬、透氣性差等問題。因此，軟質(zhì)防刺材料應(yīng)加強(qiáng)防刺機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樹脂與纖維界面分析等方面的研究。

紡織類科技期刊務(wù)必規(guī)范化學(xué)纖維署名

科技的飛速發(fā)展使得化學(xué)纖維種類越來越多，規(guī)范化學(xué)纖維署名的問題日益凸顯，早在2009 年，GB/T 4146.1—2009《紡織品 化學(xué)纖維 第1 部分：屬名》就對(duì)化學(xué)纖維署名進(jìn)行了規(guī)范，但本刊編輯部在日常工作中發(fā)現(xiàn)，很多稿件存在化學(xué)纖維署名混亂的問題。以下就常見問題進(jìn)行糾正。

（1）萊賽爾纖維（萊賽爾）lyocell，錯(cuò)誤署名有“天絲”“天絲纖維”。

（2）海藻纖維alginate，應(yīng)與海藻改性纖維區(qū)別開。如牛奶蛋白纖維和牛奶蛋白改性纖維，大豆蛋白纖維和大豆蛋白改性纖維等亦是不同纖維，應(yīng)注意區(qū)分。

（3）聚丙烯腈纖維（腈綸）acrylie，錯(cuò)誤署名有“腈綸纖維”。如芳綸、氯綸、氨綸等也存在類似問題。

（4）聚酯纖維polyester(PES)包含聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（滌綸，PET）、聚對(duì)苯二甲酸丙二酯纖維（PTT）、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯纖維（PBT）,務(wù)必明確署名，以免混淆。

（5）在纖維外涂覆金屬的情況下，應(yīng)稱為金屬鍍膜纖維，而不是金屬纖維。

（6）甲殼素纖維為以甲殼質(zhì)及其衍生物為原料制得的纖維。化學(xué)結(jié)構(gòu)單元包括甲殼質(zhì)和殼聚糖。

本刊編輯部